Un simulateur quantique étendu aux sauts à longue portée

En excitant optiquement un semiconducteur, on peut promouvoir un électron d’un état d’énergie profond, dit de valence, vers un état de conduction (électron libre, délocalisé). Le vide laissé dans la bande de valence reste néanmoins corrélé à l’électron libre, conduisant à un état lié, précisément une quasi-particule bosonique que l’on appelle un exciton. Jusqu’à aujourd’hui, les excitons ont principalement été considérés dans le cadre d’études de la polarisation électronique d’un semiconducteur, contrôlée par les collisions coulombiennes entre excitons.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS/Université Côte d'Azur)

En explorant la situation où le fluide d’excitons est très dilué, de sorte que les collisions deviennent rares, des physiciennes et physiciens sont parvenus à manipuler la polarisation optique qui caractérise les fonctions d’onde excitoniques. Celles-ci sont en effet affectées par le couplage avec les photons, qui peut induire des émissions et absorptions successives de photons virtuels. Ces dernières conduisent à une délocalisation spatiale qui introduit des corrélations à longue portée. Un solide quantique avec une cohérence de phase collectivement induite a ainsi pu être observé pour la première fois.

Pour réaliser des solides quantiques d’excitons, les chercheurs et chercheuses ont utilisé un empilement de deux fines couches (8 nm) de semiconducteur, deux puits quantiques de GaAs fabriqués à l’Université de Princeton. Ainsi, les excitons sont composés par un électron et un trou, confiné chacun dans un puits différent. En combinant le très haut niveau de pureté de la bicouche de GaAs, et un protocole de nano-fabrication spécifiquement développé, les chercheurs ont créé des réseaux électrostatiques bidimensionnels de quelques centaines de nanomètres de période (illustration). A basse température (330 mK au-dessus du zéro absolu) les excitons simulent ainsi le modèle de Bose-Hubbard avec une grande précision. Dans ce régime, les scientifiques ont observé la formation spontanée de phases sous-radiantes, c’est-à-dire marquées par une suppression collective de la dissipation radiative. Dans cet état, les excitons sautent entre des sites distants du réseau, une caractéristique de leur délocalisation. Pour les états ordonnés spatialement, par exemple pour un solide en damier à demi remplissage, un seul état sous-radiant est occupé macroscopiquement. Les solides quantiques acquièrent ainsi une cohérence de phase collectivement imprimée par les sauts à longue portée. Cette observation ouvre une nouvelle voie pour réaliser des phases exotiques de la matière quantique comme la super-solidité, qui allie ordre spatial et superfluidité. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.